La sfida biologica: replicare la complessità dei tessuti umani
Nei tessuti del corpo umano l'ossigeno non si distribuisce in modo uniforme, ma si dispone in quantità differenti secondo gradienti complessi che condizionano profondamente il comportamento delle cellule, specialmente di quelle tumorali. Replicare questa variabilità all'interno di un laboratorio ha sempre rappresentato una delle sfide più complesse per la ricerca biomedica. Un gruppo di scienziati dell'Università di Bologna ha trovato una soluzione elegante e facilmente accessibile per superare questo ostacolo, presentando i dettagli del progetto in un articolo pubblicato sulla rivista Device di Cell Press.
Nelle colture cellulari tradizionali la presenza dell'ossigeno è omogenea, una condizione che non rispecchia l'ambiente reale del corpo umano. Come spiega Stefania Rapino, professoressa al Dipartimento di Chimica Giacomo Ciamician e coordinatrice dello studio, le cellule percepiscono livelli di ossigeno molto diversi a seconda della loro specifica posizione. L'obiettivo del team bolognese era proprio quello di ricreare questa tridimensionalità biologica in modo semplice e applicabile su larga scala.
Un idrogel "attivo" al posto di macchinari complessi
Il cuore del nuovo sistema si basa su un biomateriale attivo, nello specifico un idrogel composto da proteine ed enzimi. Questo materiale viene depositato sul fondo delle normali piastre di coltura cellulare sfruttando avanzate tecniche di microfabbricazione e stampa digitale. Una volta applicato, l'idrogel consuma l'ossigeno in modo strettamente controllato, generando gradienti tridimensionali che imitano con precisione l'ambiente dei tessuti vivi.
A differenza di altri approcci odierni più elaborati, come la generazione di organoidi o l’impiego di tecnologie organ-on-chip, questo dispositivo non richiede l'utilizzo di strumentazioni sofisticate come incubatori ipossici o complessi sistemi di microfluidica avanzata. La vera forza dell'innovazione risiede nella sua capacità di integrarsi senza sforzo nelle procedure di laboratorio già esistenti, garantendo contemporaneamente un monitoraggio rigoroso dell'ambiente cellulare.
I risultati sui tumori al seno e le prospettive industriali
L'efficacia della tecnologia è stata confermata dalle prime verifiche sperimentali condotte su colture di cellule di tumore al seno, che hanno mostrato reazioni ai gradienti di ossigeno del tutto analoghe a quelle riscontrabili nei tessuti reali. I test hanno evidenziato i classici adattamenti legati alle condizioni di ipossia, tra cui la riduzione della crescita cellulare nelle zone più povere di ossigeno e l’attivazione di specifici meccanismi molecolari connessi alla sopravvivenza del tumore. Questo traguardo appare di fondamentale importanza poiché l’ipossia rappresenta un fattore chiave nella progressione della malattia oncologica e nello sviluppo di resistenze ai farmaci.
Oltre all'accuratezza scientifica, il sistema si distingue per una notevole versatilità, poiché permette di esaminare le cellule con le tecniche standard di laboratorio e di recuperarle agevolmente per successive analisi molecolari. Tale flessibilità rende il dispositivo ideale sia per la ricerca scientifica di base sia per lo screening di nuovi farmaci in ambito industriale. Il valore della scoperta è già stato tutelato attraverso il deposito di due brevetti da parte dell'Università di Bologna e ha portato alla nascita di InSimili, uno spin-off accademico finalizzato a trasformare questa innovazione in applicazioni biomediche concrete.
Lo studio scientifico è stato intitolato Microfabrication of cell culture microenvironments with spatially controlled oxygen levels. Alla ricerca hanno collaborato numerosi docenti e ricercatori dell'Ateneo bolognese, tra cui Maila Becconi, Marco Malferrari, Daniela Salvatore, Francesco Zerbetto e la stessa coordinatrice Stefania Rapino per il Dipartimento di Chimica Giacomo Ciamician. Il progetto ha visto inoltre la partecipazione di Andreas Lesch del Dipartimento di Chimica Industriale Toso Montanari, di Isabella Zironi del Dipartimento di Fisica e Astronomia Augusto Righi, e infine di Maria Conte, Stefano Salvioli e Gastone Castellani del Dipartimento di Scienze Mediche e Chirurgiche.
